Die Schaltspiegelkammer bei FLASH Konzepte zur Ablenkung des Laserstrahls Florian Perlick, Nicole Leuschner Technisches Seminar Zeuthen, 21.02.2012

Die Schaltspiegelkammer bei FLASH

Konzepte zur Ablenkung des Laserstrahls

Florian Perlick, Nicole LeuschnerTechnisches SeminarZeuthen, 21.02.2012

Florian Perlick, Nicole Leuschner | Die Schaltspiegelkammer bei FLASH | 21.02.2012 | Seite 2

Inhalt

1. FLASH und die Spiegelkammer

2. Aktuelles Spiegelkammerkonzept

3. Optimierung des bestehenden Konzepts

4. Spiegelbewegung im Vakuum

5. Ausblick


1. FLASH und die Spiegelkammer

> Linearbeschleuniger zur Erzeugung von Laserlicht im Röntgenbereich (4 - 47 nm)

Besonderheiten des Lasers

> Kurze Lichtpulse (Trains)

> Frequenz 10 Hz

> hohe Intensität und Brillanz

Experimente

> Biochemisch und physikalisch

> Hohe Nachfrage (Anlage auf lange Zeit ausgebucht)

Beschleuniger am DESY


Funktionsweise der Spiegelkammer

> Aufteilung des Laserstrahls auf 5 Messplätze (1-5)

> Optiken in beweglichen Kammern (6) lenken den Laserstrahl in das gewünschte Strahlrohr

Statischer Betriebsmodus

> Strahl wird von stillstehender Optik abgelenkt

=> Laser nur in einer Beamline (oft mehrere Tage)

Betriebsmodus „Permanentes Schalten“

> Optik wird permanent in den Strahl ein- und ausgefahren

=> Laser in zwei Beamlines gleichzeitig

Schema der FLASH-Experimentierhalle


Herausforderungen des permanenten Schaltbetriebs

> Ablenkung des Lasers von optischer Fläche

Abweichungen des Strahlverlaufs vom Ideal

Positionsabweichungen des Lasers am Experimentierplatz

Gleichbleibende Abweichungen

> z.B. durch Verformung des Spiegels bei seiner Befestigung im Halter

> durch Ausrichten der Probe korrigierbar

Dynamische Abweichungen

> durch Bewegung der Massen im Schaltbetrieb

> nicht korrigierbar !

Zulässige dynamische Abweichungen der

Spiegelfläche

> Winkel (Gieren): 1 Bogensekunde

> Position (y-Richtung): wenige μm

Entwicklungsziele

> Abweichungen des Strahls an den Experimentierplätzen: 100 μm (reproduzierbar)

> Schaltfrequenz: 5 Hz

Gieren


2. Aktuelles Spiegelkammerkonzept

Prinzipieller Aufbau der Spiegelkammer


Spiegeleigenschaften und Halterungskonzept

Siliziumspiegel

> Spiegelfläche chemisch-mechanisch poliert

> DLC-Beschichtung (45 nm)

Reflexionsgrad 94-96 %

Messwerte

Mittlere Oberflächenrauheit: < 0,3 nm rms

Winkelabweichung Längsachse: < 0,1 nm rms

Fixierung des Spiegels auf dem Halter

> Vertikal: 2 Schrauben in „Besselpunkten“

> Horizontal: 2 Keile

Anzugsmomente

> Spiegelschrauben (M8): 10 Nm

> Keilschrauben (M3): 0,6 Nm


Antrieb und Bewegungsschema

Linearmotor

> Modell: Föhrenbach PFL 230

> Wiederholgenauigkeit Position: ± 1 μm

Blockschaltbild des Motorsystems

Bewegung des Motors

> Synchronisiert zu den Beam Trains

> Bewegung nach Referenzkurve

Bestehorn-Sinoide (minimale Belastung für den Spiegel)

> Ruhephasen bei y = 0 und y = 30 mm

Bewegungsschema des Linearmotors bei f = 5 Hz (ideal)


Messergebnisse der Spiegelkammer

Bewegungsschema des Linearmotors bei f = 1 Hz

> Gesamtmasse: > 60 kg

> Schaltfrequenz (maximal): 2,5 Hz

> Schaltfrequenz (stabil): 1 Hz

Messergebnisse

> Winkelabweichung (Standardabweichung): 0,6‘‘

Positionsabweichung (Messplatz): 60 μm

> Positionsabweichung (y): max 0,6 μm (Train 1)

Messergebnisse bei f = 1 Hz

Winkelabweichung (Bogensekunden)

Positionsabweichung y-Richtung


3. Optimierung des bestehenden Konzepts

Ziele und Maßnahmen

> Verringerung der Verformung des Spiegels durch das Befestigen

Optimierung des Verformungsverhaltens des Halters

Ergebnis:

Modifizierter Spiegelhalter

> Steigerung der Schaltfrequenz (bisher: max. 2,5 Hz)

Reduktion der bewegten Massen

Ergebnisse:

Spiegelkammer aus Titan statt Edelstahl

Ausschließliche Bewegung des Spiegels bei stillstehender Kammer


Spiegelhalter – Status quo

> Material: Aluminium (Masse 1,85 kg)

> Gesamthöhe 25 mm

> Montage des Spiegels im 3°-Winkel zur Längskante

Verformungsverhalten

> Halterung biegt sich durch den Druck der Keile auf (max. 21 μm)

> ungleichmäßige Verformung

FEM-Verformungssimulation (ANSYS Workbench)

Draufsicht

Querschnittsansicht


Verschiebung der Spiegelfläche im originalen Halter

> Verdrehung des Spiegels

ungünstig!

> Spiegelfläche verschiebt sich und kippt in Richtung des Laserstrahls

Kippwinkel etwa 20 Bogensekunden

Positionsabweichung des Laserstrahls am Experimentierplatz von knapp 200 μm

Anmerkung:

> Positionsabweichungen sind gleichbleibend und können durch Ausrichten der Probe am Messplatz korrigiert werden!

Verschiebung der Spiegelfläche im bestehenden Halter (FEM-Simulation)


Modifizierter Spiegelhalter

> Aluminium (Masse 2,8 kg)

> Gesamthöhe: 50 mm

> Montage des Spiegels parallel zur Längskante

Verformungsverhalten

> Halterung biegt sich weniger auf als der originale Halter (max. 6 μm)

> gleichmäßige Verformung

FEM-Verformungssimulation modifizierter Halter

Ansichten des modifizierten Halters (Draufsicht, Querschnitt, Seite)


Verschiebung der Spiegelfläche im modifizierten Halter

> Keine Torsion des Spiegels

> Geringes Kippen der Spiegelfläche in Richtung des Laserstrahls

Kippwinkel etwa 2,5 Bogensekunden

Positionsabweichung des Laserstrahls am Experimentierplatz von etwa 25 μm

Bewertung

> Positionsabweichung um 90% geringer als mit dem originalen Halter

> Kammer muss im Flanschbereich umkonstruiert bzw. gesamte Spiegelkammer um 3° gedreht werden

Verschiebung der Spiegelfläche im modifizierten Halter (FEM-Simulation)


Massereduktion: Kammer aus Titan

Eigenschaften der Baugruppe

> Titanlegierung TiAl6V4 (Ti Grade 5) (reines Titan nicht geeignet)

> Masse der Spiegelkammer: 42 kg

> Schaltfrequenz (maximal): 3,125 Hz

> Schaltfrequenz (stabil): 2,5 Hz

Bewegungsschema der Titankammer bei f = 3,125 Hz

Titankammer


Spiegelbewegung bei stillstehender Kammer

CAD-Modell der Rechteckkammer


Erste FEM-Simulationen

Verformung des Halters

Verschiebung der Spiegelfläche


4. Spiegelbewegung im Vakuum

Idee

> Siliziumspiegel mittels Piezokristallmotoren in einer stillstehenden Kammer zu bewegen

Piezokristallmotor

Funktion:

> Piezokristalle werden durch elektrische Signale zum Schwingen angeregt

> Überlagerung von 2 Schwingungen erzeugen eine Bewegung

> Kristallenden (Köpfe des Motors) laufen über eine Keramikbahn

> Erzeugung von einer translatorischen Bewegung

Auswahl des Motors:

> UHV-tauglicher Motor mit 8 Köpfen von der Firma Nanomotion

> dazugehöriger Encoder M3500V/ Ableseskala von der Firma MicroE Systems


Umsetzung der Idee

Grundgedanke

> Schlitten durch parallel geführte Schienen mit einem Piezokristallmotor zu bewegen

Arbeitsplatte

Piezokristallmotor, 8 Köpfen, max. Geschwindigkeit von 250 mm/s

Keramiklaufbahn, 150 mm

Encoder M3500V, Ableseskala Schienenführung

Gewicht: 2,3 kg

Schlitten

Foto vom kleinen Teststand


Erweiterung auf 4 Piezokristallmotoren

Siliziumspiegel mit Kühlplatte

Spiegelhalter

ArbeitsplatteSchienenführung 4 Keramikbahnen

4 PiezomotorenEncoder

CAD – Modell der neuen Baugruppe


FEM - Verformungssimulation

Spiegelhalter:

Spiegelfläche:


5. Ausblick

Paralleles Forschen an allen genannten Konzepten

> Verformung des Spiegels

Messung der Spiegelverformung bei Verwendung beider Halterungsvarianten

Interferometer am HZB/BESSY II

> Spiegelbewegung bei stillstehender Kammer

Detaillierung der Baugruppe

Fertigung der Einzelteile + Montage

Messungen (Schaltfrequenz / Abweichungen)

> Spiegelbewegung mit Piezomotoren

Aufbau der Baugruppe mit Steuerung

Messungen (Schaltfrequenz / Abweichungen)

Kühlung

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Die Schaltspiegelkammer bei FLASH Konzepte zur Ablenkung des Laserstrahls Florian Perlick, Nicole Leuschner Technisches Seminar Zeuthen, 21.02.2012